基于AT89C52單片機(jī)和接口芯片實現(xiàn)USB接口的應(yīng)用設(shè)計

USB是一種新型的通用串行總線，它具有即插即用、可熱插拔和傳輸速率高的特點，在工業(yè)界已經(jīng)獲得了廣泛的支持和應(yīng)用。迄今為止，各種USB的外設(shè)已有上千種，除了象顯卡這種需要極高數(shù)據(jù)量和實時性要求特別高的控制設(shè)備，幾乎所有的PC外設(shè)都可以移植到USB上來。

一般的USB設(shè)備都使用一片微控制器作為其核心部件，通過微控制器強(qiáng)火的控制和運算功能，開發(fā)者可以很容易地實現(xiàn)USB設(shè)備的智能化。而嵌入式設(shè)備的實時、小巧等特性使得USB的協(xié)議棧和總線驅(qū)動的開發(fā)設(shè)計顯得尤為重要，因為它的好壞會直接對USB主機(jī)產(chǎn)生影響，從而會對嵌入式系統(tǒng)性能和穩(wěn)定產(chǎn)生較大影響。本文以PDIUSBD12為USB接口芯片，以AT89C52為控制器，給出了一種USB接口的設(shè)計方法。

1 PDIUSBD12芯片介紹

PHILIPS公司生產(chǎn)PDIUSBD12接口芯片是一款性價比很高的USB器件，它通常通過其高速并行接口進(jìn)行和微控制器通信，支持本地的DMA傳輸，支持3個USB端點，其中一個端點128B容量，另外2個端點具有256B容量。該器件允許在眾多可用的微控制器中選擇最合適的系統(tǒng)控制器可，允許使用現(xiàn)存的體系結(jié)構(gòu)并使設(shè)備軟件投資成本減少，是開發(fā)低成本，高效率的USB外圍設(shè)備的最佳途徑。

PDIUSBD12特性：

（1） 符合通用串行總線USB1.1版規(guī)范

（2）高性能USB接口器件集成了SIE FIFO存儲器收發(fā)器以及電壓調(diào)整器

（3） 符合大多數(shù)器件的分類規(guī)格

（4） 可與任何外部微控制器／微處理實現(xiàn)高速并行接口2M字節(jié)／秒

（5） 完全自治的直接內(nèi)存存取DMA操作

（6） 集成320字節(jié)多結(jié)構(gòu)FIFO存儲器

（7） 主端點的雙緩沖配置增加了數(shù)據(jù)吞吐量并輕松實現(xiàn)實時數(shù)據(jù)傳輸

（8） 在批量模式和同步模式下均可實現(xiàn)1M字節(jié)／秒的數(shù)據(jù)傳輸速率

（9） 具有良好EMI特性的總線供電能力

（10） 在掛起時可控制LazyClock輸出

（11） 可通過軟件控制與USB的連接

（12） 采用GoodLink技術(shù)的連接指示器，在通信時使LED閃爍

（13） 可編程的時鐘頻率輸出

（14） 符合ACPI OnNOW和USB電源管理的要求

（15） 內(nèi)部上電復(fù)位和低電壓復(fù)位電路

（16） 有SO28和TSSOP28兩種封裝

（17） 工業(yè)級操作溫度-40～+85℃

（18） 高于8kV的在片靜電防護(hù)電路減少了額外元件的費用

（19） 具有高錯誤恢復(fù)率（》99％）的全掃描設(shè)計確保了高品質(zhì)

（20） 雙電源操作3.3V或擴(kuò)展的5V電源，范圍為3.6～5.5V

（21） 多中斷模式實現(xiàn)批量和同步傳輸

2 USB通信模塊的硬件電路的設(shè)計

本系統(tǒng)設(shè)計采用PDIUSBD12和AT89C52配合完成通信設(shè)計。其連線圖如圖1所示。

從上圖分析知道，AT89C52和PDIUSBD12采用總線方式連接，對AT89C52來說，PDIUSBD12是一個具有8位數(shù)據(jù)總線的存儲設(shè)備。PDIUSBD12獲取USB總線數(shù)據(jù)，并對數(shù)據(jù)作相應(yīng)協(xié)議處理之后以中斷的方式通知AT89C52，MCU根據(jù)相應(yīng)的中斷請求往PDIUSBD12發(fā)送不同請求數(shù)據(jù)，協(xié)同實現(xiàn)USB設(shè)備列舉和數(shù)據(jù)傳輸。當(dāng)外設(shè)經(jīng)過PDIUSBD12連接到集線器后，集線器就會檢測外設(shè)的連接狀態(tài)并向主機(jī)報告，一但發(fā)現(xiàn)該設(shè)備，主機(jī)就會發(fā)送一系列請求給集線器，以使得集線器在主機(jī)和設(shè)備之間建立一個通信通道。然后主機(jī)試圖列舉該設(shè)備，發(fā)送設(shè)備描述符等請求可，列舉成功后，主機(jī)即可以從外設(shè)能夠被主機(jī)識別并能和主機(jī)進(jìn)行通信。之后，USB總線進(jìn)入數(shù)據(jù)傳輸階段。

3 USB固件程序的設(shè)計

固件是FireWare的中文意思，它實際上足單片機(jī)的程序文件，可以采用C語言或是匯編語言編寫。它的操作方式與硬件聯(lián)系緊密，包括USB設(shè)備的連接、USB協(xié)議、中斷處理等，它不是單純的軟件，而是軟件和硬件的結(jié)合，開發(fā)者需要對端口、中斷和硬件結(jié)構(gòu)非常熟悉。在本系統(tǒng)中，當(dāng)PDIUSBD12從USB接受到一個數(shù)據(jù)包，就對CPU產(chǎn)生一個中斷請求，CPU立即響應(yīng)中斷。在ISR（中斷服務(wù)程序）中，固件讀取數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)保存值到循環(huán)數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，隨后置柏應(yīng)事件的標(biāo)志位，CPU繼續(xù)前臺程序，檢測事件標(biāo)志，執(zhí)行完成相應(yīng)的事件任務(wù)。固件程序一般放入MCU中，當(dāng)把設(shè)備連接到主機(jī)上時，上位機(jī)可以發(fā)現(xiàn)新設(shè)備，然后建立連接。因此，編寫固件程序的一個最主要的目的就是讓W(xué)indows可以檢測和識別設(shè)備。

3.1 固件功能需求

在本系統(tǒng)設(shè)計中，固件程序不僅要協(xié)助USB控制芯片PDIUSBD12完成USB通信的任務(wù)，而且還要控制采集模塊和標(biāo)準(zhǔn)信號源的工作，具體包括：

（1） 應(yīng)答主機(jī)列舉設(shè)備的所有請求，完成設(shè)備的列舉和重列舉過程。其中包括用軟件來模擬USB設(shè)備的斷開與從新連接，對接收到的設(shè)備包進(jìn)行分析和判斷，對主機(jī)的設(shè)備請求作出適當(dāng)?shù)捻憫?yīng)工作，直到主機(jī)對設(shè)備的配制完成。

（2） 初始化工作，這項工作有兩個方面，一是對采集模塊和信號源模塊的硬件進(jìn)行初始化工作；二是對USB芯片進(jìn)行初始化，設(shè)置一些特殊功能寄存器的初值，例如開或關(guān)中斷，配制I／O端口等。

（3） 當(dāng)主機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)時，要接收數(shù)據(jù)包并解析數(shù)據(jù)包的含義，根據(jù)事先約定的協(xié)議進(jìn)行相應(yīng)的操作。對于采集模塊具體包括：寫入波形數(shù)據(jù)，選擇頻率，選擇幅度，選擇波形類型等。

（4） 當(dāng)主機(jī)要求回傳采集到的數(shù)據(jù)時，根據(jù)設(shè)備狀態(tài)回傳數(shù)據(jù)，或者應(yīng)答數(shù)據(jù)未準(zhǔn)備好?；貍鲾?shù)據(jù)后，自動按照原先保存的設(shè)置初始化采集參數(shù)并啟動下一次采集，從而使采集繼續(xù)下去。

（5） 響應(yīng)硬件產(chǎn)生的中斷，并作出相應(yīng)的處理。

單片機(jī)與PDIUSBD12的通信主要是靠單片機(jī)給PDIUSBD12發(fā)命令和數(shù)據(jù)來實現(xiàn)的。PDIUSBD12的命令字分為三種：初始化命令字、數(shù)據(jù)流命令字和通用命令字。PDIUSBD12數(shù)據(jù)手冊給出了各種命令的代碼和地址。單片機(jī)先給PDIUSBD12的命令地址發(fā)命令，根據(jù)不同命令的要求再發(fā)送或讀出不同的數(shù)據(jù)。

因此，可以將每種命令做成函數(shù)，用函數(shù)實現(xiàn)各個命令，直接調(diào)用函數(shù)即可。

固件程序流程圖如圖2所示。

其中：

TD_Init（）：此函數(shù)用于初始化全局狀態(tài)變量。

TD_Poll（）：此函數(shù)在操作外設(shè)時反復(fù)調(diào)用，用于外設(shè)功能程序代碼的執(zhí)行。

TD Suspend（）：此函數(shù)使外設(shè)進(jìn)入低功耗掛起狀態(tài)。

TD_Resume（）：次函數(shù)用于對外部恢復(fù)事件作出反應(yīng)，并恢復(fù)處理器的正常工作狀態(tài)。

3.2 驅(qū)動程序設(shè)計

驅(qū)動程序介于硬件與上層應(yīng)用軟件之間，為它們之間的通信提供橋梁。應(yīng)用程序可以不必知道它想要或者正在與之通信的硬件設(shè)備的屬性，包括電氣連接，物理地址，信號種類。通信協(xié)議等，甚至應(yīng)用程序可以不知道與之通信的是何種接口。這些工作全部是由各個層次的驅(qū)動程序來完成的，應(yīng)用程序只需要知道設(shè)備的名稱，或是功能就可以了。在Windows中，應(yīng)用程序可以通過驅(qū)動程序像操作一般文件一樣來訪問硬件設(shè)備，以實現(xiàn)應(yīng)用層與設(shè)備的交互。與傳統(tǒng)PC總線（如PCI總線）設(shè)備的驅(qū)動程序相比，USB設(shè)備驅(qū)動程序從不直接與硬件對話。相反，它僅靠創(chuàng)建URB（USB請求塊）并把URB提交到總線驅(qū)動程序就可完成硬件操作。

USB驅(qū)動程序現(xiàn)在已經(jīng)具有工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化，一般生產(chǎn)USB芯片的廠家已經(jīng)設(shè)計好其驅(qū)動程序，在本設(shè)計中，使用了由PHILIPS公司提供的PDIUSBD12通用驅(qū)動程序D12usb.sys，即功能驅(qū)動程序。

4 結(jié)束語

PHILIPS公司的PDIUSBD12芯片及其開發(fā)環(huán)境提供了一個快速有效的開發(fā)手段，本文對USB設(shè)備端的固件和硬件設(shè)計過程以及在主機(jī)端的驅(qū)動程序和應(yīng)用程序開發(fā)都作了全面詳細(xì)的介紹。給出了一個快速實現(xiàn)USB控制器的方法與技術(shù)，也是開發(fā)其他類似設(shè)備的參考范例。

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